ДЗ Строение атома 2015

Домашнее задание по теме «СТРОЕНИЕ АТОМА».
Теоретические основы
Квантово-механическая модель атома. Квантовые числа. Атомные
орбитали. Принцип Паули. Правило Гунда (или Хунда). Принцип
минимума энергии (правило Клечковского).
Электронные и
электронно-графические формулы атомов и их ионов (полные, сокращенные,
валентных электронов) в основном и возбужденном состояниях. Ядро
атома, атомный номер и массовое число. Состав ядра. Периодический закон
и
периодическая
система
элементов
Д.И.Менделеева.
Основные
характеристики атомов элементов: радиус атома, энергия ионизации,
энергия сродства к электрону, относительная электроотрицательность.
Изменение основных характеристики атомов элементов по группам и
периодам в периодической системе элементов Д.И.Менделеева.
Задание: 
 написать краткий конспект по данной теме;
 для элементов, соответствующих Вашему варианту, ответить на следующие
вопросы:
1. Напишите электронные формулы атомов и их ионов в соответствии с
правилом Клечковского.
2. Определите для каждого атома число протонов, электронов, нейтронов.
3. Определите число энергетических уровней у каждого атома.
4. Определите, в какой группе и подгруппе (главной – А или побочной - В)
находится каждый атом.
5. К какому семейству элементов принадлежит каждый атом.
6. Напишите сокращенные электронные формулы для внешних и валентных
электронов данных атомов.
7. Изобразите электронно-графические формулы валентных электронов данных
атомов и определите значения всех квантовых чисел этих электронов.
8. Определите суммарный спин электронов подуровня, заполняющегося
последним.
9. Определите число спаренных и неспаренных валентных электронов данных
атомов в нормальном состоянии.
10. Определите число свободных и занятых атомных орбиталей на последнем
уровне данных атомов в нормальном состоянии.
11. Напишите сокращенные электронные и электронно-графические формулы
для всех возможных возбужденных состояний данных атомов.
1
Вариант
Элементы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Галлий, иттрий, натрий
Кобальт, стронций, сера
Рений, йод, магний
Таллий, цирконий, кальций
Висмут, рутений, бериллий
Никель, астат, рубидий
Родий, свинец, калий
Рений, селен, натрий
Вольфрам, хлор, радий
Титан, сурьма, барий
Бром, молибден, кальций
Мышьяк, тантал, стронций
Олово, иридий, калий
Кадмий, осмий, фосфор
Ванадий, франций, кремний
Вариант
Элементы
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Фосфор, вольфрам, калий
Индий, магний, тантал
Технеций, сера, барий
Рубидий, мышьяк, вольфрам
Хром, радий, олово
Марганец, сурьма, натрий
Йод, титан, франций
Алюминий, цирконий, рубидий
Калий, сурьма, тантал
Магний, осмий, бром
Хлор, франций, иттрий
Селен, барий, рений
Кальций, йод, тантал
Натрий, мышьяк, иридий
Кремний, молибден, радий
2
Образец решения.
Задание. Для элементов цезий, железо и теллур ответить на вопросы:
1. Определите число энергетических уровней у каждого атома.
2. Определите, в какой группе и подгруппе (главной – А или побочной - В)
находится каждый атом.
3. Определите для каждого атома число протонов, электронов, нейтронов.
4. Напишите электронные формулы атомов и их ионов в соответствии с
правилом Клечковского.
5. К какому электронному семейству элементов принадлежит каждый атом.
6. Напишите сокращенные электронные формулы для внешних и валентных
электронов данных атомов.
7. Изобразите электронно-графические формулы валентных электронов
данных атомов и определите значения всех квантовых чисел этих
электронов.
8. Определите суммарный спин электронов подуровня, заполняющегося
последним.
9. Определите число спаренных и неспаренных валентных электронов данных
атомов в нормальном состоянии.
10. Определите число свободных и занятых атомных орбиталей на последнем
уровне данных атомов в нормальном состоянии.
11. Напишите сокращенные электронные и электронно-графические формулы
для всех возможных возбужденных состояний данных атомов.
Cs (цезий)
Fe (железо)
Te (теллур)
1.Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором
расположен элемент в таблице Менделеева:
NУРОВНЕЙ (Cs) = 6
NУРОВНЕЙ (Fe) = 4
NУРОВНЕЙ (Te) = 5
2.Группу и подгруппу, в которой расположен элемент, определяем по таблице
Менделеева
По таблице Менделеева:
Cs – I группа
Аподгр (главная)
По таблице Менделеева:
Fe – VIII группа
Bподгр (побочная)
По таблице Менделеева:
Te – VI группа
Аподгр (главная)
3
3.Число протонов (р) = номеру порядковому в таблице Менделеева
Число электронов в атоме (e) = числу протонов
Число нейтронов (n) = атомная масса – число протонов = А - р
А — атомная масса одного из изотопов по таблице Менделеева.
p (Cs) = 55
e (Cs) = 55
n (Cs) = 133 – 55 = 78
p (Fe) = 26
e (Fe) = 26
n (Fe) = 56 – 26 = 30
p (Te) = 52
e (Te) =52
n (Te) = 128 – 52 = 76
4. Электронные формулы в соответствии с правилом Клечковского (принцип
минимума энергии):
1s1-2 2s1-2 2p1-6 3s1-2 3p1-6 4s1-2 3d1-10 4p1-6 5s1-2 4d1-10 5p1-6 6s1-2 5d1 4f1-14 5d2-10 6p1-6
7s1-2 6d1 5f1-14 6d2-10 7p1-6
для р- и d- элементов 6-го периода, кроме лантана записываем: ... 6s24f145d2-106p1-6
для р- и d- элементов 7-го периода, кроме актиния записываем: ... 6s24f145d106p6
7s25f14 6d2-10 7p1-6
Для написания электронной формулы иона, следует определить, какое простое
вещество образует элемент: металл или неметалл.
Атомы металлов образуют простые ионы-катионы со степенями окисления от +1
до +4:
s- элементы отдают валентные электроны с s-подуровня последнего уровня;
р- элементы отдают валентные электроны сначала с p-подуровня, затем и
с s-подуровня последнего уровня;
d-элементы отдают валентные электроны сначала с s-подуровня последнего
уровня, а затем и с d-подуровня предпоследнего уровня.
Атомы неметаллов образуют простые ионы-анионы, принимая электроны на pподуровень последнего уровня , чтобы на подуровне (максимально) стало 6е.
Cs (цезий)
Fe (железо)
Te (теллур)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6
5s2 4d10 5p6 6s1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6
5s2 4d10 5p4
Cs - металл
Cs – 1е →Cs+1
катион:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6
5s2 4d10 5p6
Fe - металл
Fe — 2е → Fe2+
катион:1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d6
Fe — 3е → Fe3+
катион:1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d6
Te - неметалл
Te + 2е →Te2анион: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
3d10 4p6 5s2 4d10 5p6
4
5.Электронное семейство элемента определяется подуровнем, который в атоме
заполняется электронами последним.
Cs - цезий
Семейство s-элементов, т.к.
последним заполняется
s- подуровень (6s)
Fe (железо)
Семейство d-элементов, т.к.
последним заполняется
d-подуровень (3d)
Te (теллур)
Семейство p-элементов,
т.к. последним заполняется
p-подуровень (5p)
6. Внешние электроны – это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне.
Валентные электроны определяются электронным семейством элемента:
для s-элементов — это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне, т. е. совпадают с внешними электронами;
для p-элементов - это электроны, находящиеся на внешнем (последнем)
уровне, т. е. совпадают с внешними электронами;
для d-элементов - это электроны, находящиеся на s- подуровне внешнего
(последнего) уровня и на d-подуровне превнешнего (препоследнего) уровня.
Cs - цезий
Внешние электроны: 6s1
Валентные электроны:
для s-элементов
соответствуют внешним
электронам: 6s1
6s1
↑
Fe (железо)
Внешние электроны: 4s2
Валентные электроны:
для d-элементов - это
электроны последнего
s-подуровня и электроны
d-подуровня предпоследнего
уровня:4s23d6
Te (теллур)
Внешние электроны: 5s25p4
Валентные электроны:
для p-элементов
соответствуют внешним
электронам: 5s25p4
5s2│ 5p4
↑↓ ↑↓ ↑ ↑
4s │ 3d
2
6
↑↓ ↑ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑
7. Для полного описания состояния каждого электрона в атоме в квантововолновой механике используется система четырех параметров n,l,ml ,ms , называемых
квантовыми числами. Квантовые числа - величины безразмерные.
1) n – главное квантовое число определяет общую энергию электрона на данной
орбитали и указывает, насколько данное электронное облако удалено от ядра: чем
больше значение n, тем слабее связан электрон с ядром.
n соответствует (равно) номеру уровня, на котором находится электрон;
5
2) l – побочное (орбитальное) квантовое число характеризует различное
энергетическое состояние электронов в пределах данного уровня, а также форму
электронного облака, пространственную область его наиболее вероятного нахождения.
Возможное число подуровней в каждом энергетическом уровне равно значению
главного квантового числа:
n = 1, то число подуровней = 1, s - подуровень;
n = 2, то число подуровней = 2, s- и p- подуровни;
n = 3, то число подуровней = 3, s-, p -, d-подуровни;
n = 4, то число подуровней = 4, s -, p - , d -, f- подуровни.
l соответствует (равно) номеру подуровня, на котором находится электрон,
если электрон находится на s-подуровне, то для этого электрона l=0
если электрон находится на p-подуровне, то для этого электрона l=1
если электрон находится на d-подуровне, то для этого электрона l=2
если электрон находится на f-подуровне, то для этого электрона l=3
3) ml – магнитное (азимутальное) квантовое число характеризует направление
орбитального момента количества движения электрона и определяет ориентацию
атомных орбиталей в магнитном поле атома, а также число атомных орбиталей на
энергетическом подуровне.
Возможное число атомных орбиталей на подуровне равно 2l + 1 и принимает
целочисленные значения от -l до + l, включая и ноль,
ml соответствует (равно) номеру орбитали, на которой находится электрон:
s-подуровень имеет одну орбиталь: ml =0
p-подуровень имеет три орбитали:
ml = -1 0 +1
d-подуровнь имеет пять орбиталей: ml = -2 -1 0 +1 +2
4) ms – спиновое квантовое число характеризует собственный момент количества
движения электрона (вокруг своей оси), получивший название спин
ms может принимать только два значения:
если ↑, то ms = + 1/2 , если ↓, то ms = - 1/2
При заполнении подуровня с несколькими атомными орбиталями сначала заполняют
все орбитали электронами с одним спином (или все ↑, или все ↓) в соответствии с правилом
Гунда (или Хунда) и только затем добавляют на каждую орбиталь по второму электрону с
противоположным спином (принцип Паули).
6
Cs - цезий
Квантовые числа для
валентных электронов(6s1)
атомов цезия:
6s1
Fe (железо)
Квантовые числа для
валентных электронов
(4s2 3d6 )атомов железа:
5s2 │ 5p4
↑
n
l
ml
ms
6
0
0
+1
2
Te (теллур)
Квантовые числа
для валентных электронов
(5s2 5p4) атомов теллура:
↑↓ ↑↓ ↑ ↑
4s2 │ 3d6
↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
n
l
ml
ms
4 4 3 3
0 0 2 2
0 0 -2 -2
+1 -1 +1 -1
2 2 2 2
3 3
2 2
-1 0
+1 +1
2 2
n 5 5 5 5
l
0 0 1 1
3 3
m
0 0 -1-1
l
2 2
+1 +2 ms +1 -1 +1 -1
2 2 2 2
+1 +1
2 2
5 5
1 1
0 +1
+1 +1
2 2
8.Суммарный спин – это сумма значений ms всех электронов на подуровне, взятое по
абсолютной величине (по модулю).
В атоме цезия последним
заполняется 6s1
↑
Суммарный спин:
∑ (ms)6s = │+1/2│= 1/2
В атоме железа последним
заполняется3d6
↑↓ ↑ ↑
↑
В атоме теллура последним
заполняется 5p4
↑
↑↓
↑
↑
Суммарный спин:
Суммарный спин:
∑(ms)3d =
∑(ms)5p =│+1/2
=│+1/2-1/2+1/2+1/2+1/2+1/2│ 1/2+1/2+1/2│=
= 4/2 = 2
= 2/2 = 1
9. Электроны , находящиеся на одной орбитали и обладающие противоположно
направленными спинами ↑↓, называются спаренными, а одиночный электрон на
орбитали называется неспаренным.
Валентные электроны у атома Валентные электроны у атома Валентные электроны у атома
цезия:
железа:
теллура:
1
2
6
6s
4s │ 3d
5s2
│5p4
↑
1 неспаренный электрон
↑↓ ↑↓
↑
↑
↑
4 спаренных электрона
↑
↑↓
↑↓
↑
↑
4 спаренных электрона
7
4 неспаренных электрона
2 неспаренных электрона
10. Число возможных атомных орбиталей (АО) на уровне равно N 2 уровня, но
реально в настоящее время известны только подуровни: s,p,d,f
Последний (внешний)уровень
у атома шестой (6) уровень:
число возможных атомных
орбиталей равно 62 = 36, т. е.
1 занятая и 35 свободных
реально существующих
атомных орбиталей равно
16 (подуровни s,p,d,f )
6s1│ 6p │6d
│6f
Последний (внешний)уровень
у атома четвертый (4) уровень:
число возможных и реально
существующих атомных
орбиталей равно 42 = 16, т. е.
1 занятая и 15 свободных
↑
↑↓
↑↓ ↑↓ ↑ ↑
Реально
1 занятая и 15 свободных АО
Реально
1 занятая и 15 свободных АО
Реально
4 занятых и 12 свободных АО
4s2 │4p│4d
│4f
Последний (внешний)уровень
у атома пятый (5) уровень:
число возможных атомных
орбиталей равно 52 = 25, т. е.
4 занятых и 12 свободных
реально существующих
атомных орбиталей равно
16 (подуровни s,p,d,f )
5s2│5p4
│5d
│5f
11.Возбужденное состояние возможно для тех атомов, у которых на внешнем уровне
есть спаренные электроны и свободные атомные орбитали (АО). Атом при получении
дополнительной энергии может переходить в возбужденное состояние - это распаривание
электронов последнего (внешнего) уровня и переход их на свободные орбитали этого же
уровня.
У атома цезия на внешнем
уровне 1 неспаренный
электрон, нет возбужденного
состояния, т. к. нет спаренных
электронов.
У атома железа на внешнем
уровне имеются и спаренные
электроны и свободные
орбитали, т.е. возможно
возбужденное состояние
Fe⃰
4s1
│4p1
↑
↑
У атома теллураа на внешнем
уровне имеются и спаренные
электроны и свободные
орбитали, т.е. возможно
возбужденное состояние
1-ое возбужденное состояние
Te⃰
5s2│ 5p3
│5d1
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
2-ое возбужденное состояние
Te⃰ ⃰
5s1│ 5p3
│5d2
↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
8